SINTESIS ZSM-5 DARI FLY ASH SAWIT SEBAGAI SUMBER SILIKA

Transkripsi

1 SINTESIS ZSM-5 DARI FLY ASH SAWIT SEBAGAI SUMBER SILIKA Ida Zahrina, Yelmida, Fajril Akbar Laboratorium Teknik Reaksi Kimia Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau Kampus Binawidya UR Km 12,5 Panam Pekanbaru Telp Abstraks ZSM-5 merupakan salah satu zeolit sintesis yang banyak digunakan di industri terutama sebagai katalis. Hal ini disebabkan ZSM-5 memiliki aktivitas dan selektivitas yang tinggi pada beberapa reaksi konversi hidrokarbon. ZSM-5 dapat disintesis dari campuran silika dan alumina dengan komposisi dan kondisi operasi tertentu. Sumber silika yang biasa digunakan berupa natrium silikat (silika monomer), silikat hidrat, silika sol, silika gel, calcined silica, fumed silica dan silika presipitasi. Selain silika dan alumina, basa organik (sebagai templating agent) juga ditambahkan pada sintesis ZSM-5. Penelitian ini bertujuan mensistesis ZSM-5 dari fly ash sawit sebagai sumber silika tanpa menggunakan templat. Sintesis dilakukan dalam autoclaf pada temperatur 19 o C, nisbah molar Na 2 O/Al 2 O 3 7,4 dengan variasi nisbah molar Si/Al 3 4 dan waktu síntesis jam. Produk sintesa dianalisis dengan FTIR. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kondisi terbaik untuk sintesis ZSM-5 dari fly ash sawit adalah pada nisbah molar Si/Al 4 dan waktu sintesis 12 jam. Kata Kunci: Fly Ash Sawit, FTIR, ZSM-5 1. Pendahuluan ZSM-5 merupakan salah satu zeolit sintesis yang banyak digunakan di industri terutama sebagai katalis karena memiliki aktivitas dan selektivitas yang tinggi pada beberapa reaksi konversi hidrokarbon serta tidak mudah terdeaktivasi (Prasad dkk. 1986). ZSM-5 disintesis dari campuran silika dan alumina serta basa organik (sebagai templating agent) dengan komposisi dan kondisi operasi tertentu. Sumber silika yang biasa ditambahkan berupa natrium silikat (silika monomer), silikat hidrat, silika sol, silika gel (silika polimer), calcined silica, fumed silica dan silika presipitasi. Dalam sebuah paten, Vempati (22) melakukan sintesis ZSM-5 menggunakan abu sekam padi sebagai sumber silika tanpa adanya templat. Sintesis ZSM-5 tanpa menggunakan templat dapat mengurangi biaya produksi ZSM-5. Selain itu, penyingkiran templat dari produk ZSM-5 dilakukan pada suhu tinggi sehingga menyebabkan degradasi struktur zeolit. Selain itu, penggunaan templat dalam sintesis ZSM-5 juga berdampak negatif terhadap lingkungan (Vempati 22 ; Miller 21). Vempati (22) mensintesis ZSM-5 dengan nibah molar SiO 2 /Al 2 O 3 antara 15 15, nisbah molar Na 2 O/Al 2 O 3 antara 2 1. Pemanasan dilakukan pada sistem tertutup pada suhu

2 15 22 o C selama 18 jam. Vempati (22) mengklaim bahwa ZSM-5 fasa tunggal akan diperoleh pada nisbah molar SiO 2 /Al 2 O 3 35 pada temperatur 19 o C selama 18 jam dengan nisbah molar Na 2 O/Al 2 O 3 7,4. Setiap satuan massa tandan buah segar akan menghasilkan minyak sawit sekitar 21%- massa, dan limbah padat berupa tandan kosong sawit (TKS) 21%-massa, cangkang 6%- massa, sabut sawit 11%-massa dan palm kernel cake 3%-massa (Saputra, 24). Limbah tersebut digunakan oleh pabrik pengolahan minyak sawit sebagai bahan bakar boiler. Abu (fly Ash) yang dihasilkan hanya sebagian digunakan sebagai pupuk. Abu sabut dan cangkang sawit asal Provinsi Riau berkadar silika berturut-turut 61,3 dan 76,2% berat (Zahrina, 23). Fly ash sawit juga kemungkinan berkadar silika tinggi, sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai sumber silika pada sintesis ZSM-5. Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan fly ash sawit sebagai sumber silika pada sintesis ZSM-5 tanpa templat dengan memvariasikan nisbah molar Si/Al dan waktu sintesis. 2. Tinjauan Pustaka ZSM 5 ZSM 5 ( Zeolit Socony Mobile 5 ) adalah suatu material dengan pori-pori sangat kecil yang mampu memuat molekul-molekul kecil. Zeolit ini bisa didapat dari alam ataupun diperoleh secara sintesis dari senyawa aluminium silikat. ZSM 5 merupakan zeolit bersilika tinggi yang dikembangkan sebagai katalis pada sintesis senyawa-senyawa organik, refining petroleum, dan industri petrokimia. Zeolit ini pertama kali ditemukan pada tahun 1972 oleh Arguer dan Landolt dari Mobile Research Corp sebagai katalis pada konversi metanol menjadi hidrokarbon (Ramli dan Hasliza, 23). Penemuan ini membawa perubahan yang cukup besar pada perkembangan penelitian tentang zeolit. Selain digunakan sebagai katalis proses tersebut, ZSM 5 juga digunakan sebagai katalis reaksi pada proses dewaxing, proses isomerisasi xylene, proses alkilasi benzene, proses cracking dan sebagainya. ZSM 5 dikategorikan sebagai zeolit dengan pori sedang dalam kelas zeolit, mempunyai sistem saluran dengan ukuran pori antara,45,65 nm. ZSM 5 dibentuk oleh dua jenis sistem pori cincin 1 oksigen, tipe pertama yaitu saluran lurus dengan lubang seperti elips dengan luas,55 x,51 nm. Tipe kedua adalah saluran sinusoidal yang tegak lurus dengan saluran pertama dengan luas,56 x,54 nm (Bekkum, 1991).

3 ZSM 5 Sebagai Katalis Melihat banyaknya permintaan ZSM-5 dalam bidang perindustrian, banyak penelitian dilakukan untuk dapat memproduksinya secara sintesis. Beberapa keistimewaan ZSM 5, sehingga dikembangkan sebagai katalis adalah : 1. Difusi berlangsung secara molecular traffic control, disebabkan ZSM 5 memiliki dua jenis saluran, sehingga reaktan berdifusi pada salah satu pori dan produknya keluar pada pori yang lain. 2. Stabilitas termal tinggi dan stabil terhadap asam. 3. Dengan adanya dua saluran yang saling berpotongan menjadikan ZSM 5 sebagai zeolit dengan daya terima pusat aktif katalitik yang paling baik. Disamping itu, ZSM 5 memiliki aktivitas dan selektivitas yang tinggi pada beberapa reaksi konversi hidrokarbon dan tidak mudah terdeaktivasi ( Prasad, dkk., 1986). ZSM 5 memiliki pusat, rongga dan pori dengan bentuk dan ukuran seragam dengan kemampuan sebagai pengayak molekul. Karena itu zeolit dapat dipakai sebagai katalis yang selektif terhadap bentuk dan ukuran zat yang terlibat reaksi. Sintesis ZSM 5 ZSM-5 dapat disintesis dari campuran silika dan alumina dengan komposisi dan kondisi operasi tertentu. Sumber silika dapat berupa natrium silikat, silikat hidrat, water glass, silika sol, silika gel, clay, silika terpresipitasi dan calcined silica. Sumber alumina dapat berupa alumina murni yang dilarutkan dalam NaOH, alumina sulfat, alumina oksida, logam aluminat, aluminium hidroksida, aluminium alkoksida, garam-garam aluminum (Ismail, 26). Selain silika dan alumina, basa organik (berfungsi sebagai templating agent) seperti tetrapropilamonium bromida (TPA-Br), tetrabutilamonium bromida (TBA-Br), senyawa amina seperti etilen diamin (EDA) dan dietilamin (DEA) dan alkohol (butanol,propanol), serta basa anorganik seperti KOH dan NaOH juga dibutuhkan pada sintesis ZSM-5 (Chumaidi dan Rosyadi, 1999). Chen, dkk., (2) mengklaim bahwa senyawa N-2 adamantiglisin, N- sikloheksiglisin dan asam amino heksanoat dapat pula digunakan sebagai basa organik pada sintesis ZSM-5. Vempati (22) juga melakukan sintesis ZSM-5 tanpa menggunakan templat. Sintesis ZSM-5 dilakukan dengan menggunakan abu sekam padi dan geothermal sludge sebagai

4 sumber silika dengan kandungan karbon -1% dari berat total, dimana kandungan SiO 2 melebihi 9% berat total abu silika. Penggunaan limbah seperti abu sekam padi dan geothermal sludge ini juga akan turut mengurangi biaya produksi ZSM-5. Vempati melakukan sintesis ZSM-5 dengan nisbah molar SiO 2 /Al 2 O 3 antara 15-15, nisbah molar Na 2 O/Al 2 O 3 antara 2-1, pemanasan dilakukan pada sistem tertutup pada suhu o C selama 18 jam. ZSM-5 fasa tunggal diperoleh pada nisbah molar SiO 2 /Al 2 O 3 35 dengan temperatur 19 o C selama 18 jam dan nisbah molar Na 2 O/Al 2 O 3 7,4. Selain itu, ZSM-5 fasa tunggal juga diperoleh dengan cara menurunkan temperatur dan/atau menurunkan lamanya waktu sintesis, jika sintesis dilakukan pada nisbah molar SiO 2 /Al 2 O 3 68 dan 12. Putro dan Prasetyoko (27) mempelajari pengaruh perbandingan SiO 2 /Al 2 O 3 pada sintesis ZSM-5 dari abu sekam padi tanpa templat. Sintesis dilakukan secara hidrotermal pada 19 o C selama 24 jam dengan perbandingan mol 1 Na 2 O ; 1 SiO 2 ; x Al 2 O 3 ; 18 H 2 O (x divariasi 1,3 ; 2 dan 4). Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada perbandingan SiO 2 /Al 2 O 3 rendah (25) cendrung terbentuk analsim dan pada perbandingan SiO 2 /Al 2 O 3 tinggi (75) terbentuk kuarsa. ZSM-5 berhasil di sintesis pada SiO 2 /Al 2 O 3 = Metodologi Penelitian Pembuatan Natrium Aluminat Natrium aluminat dibuat dengan cara melarutkan 19,5 gr NaOH dalam 1 ml aquades, kedalam larutan tersebut dimasukkan sebanyak 76 gr Al(OH) 3 sambil diaduk. Setelah semua Al(OH) 3 larut kemudian didiamkan hingga terbentuk endapan. Endapan kemudian disaring dan dipanaskan dalam oven sampai kadar airnya konstan (Zahrina, dkk, 27) Persiapan Fly Ash Sawit Fly ash sawit yang digunakan pada penelitian ini berasal dari PTPN V Sungai Pagar. Sebelum digunakan, fly ash sawit terlebih dahulu diayak dan dianalisis kadar silika dan karbon. Analisis kadar silika dan karbon dilakukan di Puslitbang Tekmira Bandung. Analisis kadar silika menggunakan metode SNI dan kadar karbon dengan metode (ASTM D.5373). Sintesis ZSM-5

5 Sintesis ZSM 5 mengacu pada prosedur dan kondisi proses yang telah dilakukan oleh Vempati (22), namun dengan sumber silika yang berasal dari abu sawit. Sintesis ZSM 5 dilakukan pada variasi nisbah molar SiO 2 /Al 2 O 3 3, 35 dan 4 serta variasi waktu síntesis 12, 15, 18, 21 dan 24 jam. Síntesis ZSM-5 dilakukan dengan tahapan sebagai berikut: fly ash sawit sebanyak 2 gram dicampur dengan aquades sebanyak 8,4 gram (suspensi 1). Pada tempat terpisah, dicampurkan natrium aluminat dan NaOH dalam jumlah tertentu (sesuai nisbah molar Na 2 O/Al 2 O 3 7,4) dengan aquades sebanyak 1 gram (suspensi 2). Selanjutnya suspensi 1 dicampur dengan suspensi 2 sehingga menghasilkan suspensi 3. Ke dalam suspensi 3 ditambahkan asam silikat sebanyak 1% dari massa campuran suspensi 3. Lalu dilakukan pengadukan selama 3 menit yang kemudian dimasukkan dalam autoclave. Síntesis dilakukan pada suhu 19 o C dan waktu tertentu sesuai dengan variabel yang telah ditentukan (12. 15, 18, 21 dan 24 jam). Padatan yang terbentuk dari pemanasan dengan menggunakan autoclave dicuci dengan aquades dan dikeringkan pada suhu 11 o C selama 6 jam. Setelah itu produk dikalsinasi di dalam furnace dengan suhu 5 o C selama 6 jam. Setelah di kalsinasi, produk sintesa di karakterisasi dengan FTIR. 4. Hasil dan Pembahasan Abu sawit diperoleh dari PT. Perkebunan Nusantara V, Sungai Pagar. Kadar silika dan karbon dalam abu sawit dianalisis di Puslitbang Tekmira Bandung. Kadar silika dalam fly ash sawit sebesar 86,7 % berat dan karbon sebesar,36% berat. Pengaruh Nisbah Molar SiO 2 /Al 2 O 3 Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan Vempati (22), spektra infra merah yang merupakan ciri khas terbentuknya ZSM-5 ditandainya dengan adanya pita serapan pada bilangan gelombang cm -1 (rentang asimetri dari ikatan (Si,Al)O 4 tetrahedral), cm -1 (rentang simetri), 5 42 cm -1 (vibrasi tekuk ikatan (Si,Al)O 4 ), 65 5 cm -1 (vibrasi cincin ganda polihedral kerangka zeolit). Síntesis ZSM-5 yang disintesis dari fly ash sawit dilakukan dengan variasi nisbah Si/Al 25, 35 dan 4. Gambar 1 menayangkan spektrogram infra merah produk síntesis pada nisbah Si/Al 3, 35 dan 4 pada temperatur 19 C selama 12 jam.

6 8 7 %T Si/Al 3, 12 jam Si/Al 35, 12 jam Si/Al 4, 12 jam Wavenumber [cm-1] Gambar 1 Spektrogram inframerah produk síntesis pada nisbah Si/Al 3, 35 dan 4 pada temperatur 19 C selama 12 jam. Berdasarkan spektrogram pada Gambar 1, ketiga produk sintesa memiliki serapan yang tajam pada bilangan gelombang cm -1 dan 5 42 cm -1. Serapan yang tajam pada bilangan gelombang cm -1, hanya dimiliki oleh produk sintesa pada Si/Al 4. Hal serupa juga terlihat pada produk yang disintesis selama 21 jam, seperti terlihat pada Gambar 2.

7 6 5 5 Si/Al 3, 21 jam Si/Al 35, 21 jam Si/Al 4, 21 jam Wavenumber [cm-1] Gambar 2 Spektrogram inframerah produk síntesis pada nisbah Si/Al 3, 35 dan 4 pada temperatur 19 C selama 21 jam. Berdasarkan spektrogram yang ditampilkan pada Gambar 1 dan 2, terlihat bahwa pada waktu sintesis 12 maupun 24 jam, dengan peningkatan nisbah Si/Al maka pita serapan juga semakin tajam. Nisbah Si/Al mempengaruhi kristalisasi ZSM-5. Peningkatan nisbah Si/Al akan meningkatkan kristalisasi ZSM-5 (Satterfield, 1991). Pengaruh waktu sintesis Gambar 3 menayangkan spektrogram infra merah produk síntesis pada nisbah Si/Al 4, temperatur 19 C dengan variasi waktu sintesis.

8 Si/Al 4, 12 jam Si/Al 4, 15 jam Si/Al 4, 18 jam Si/Al 4, 21 jam Si/Al 4, 24 jam Wavenumber [cm-1] Gambar 3. Spektrogram inframerah produk síntesis pada nisbah Si/Al 4, temperatur 19 C dengan variasi waktu sintesis

9 Berdasarkan spektrogram yang ditampilkan pada Gambar 3, terlihat bahwa produk yang disintesis selama 12 jam memberi pita serapan yang paling tajam. Waktu sintesis memang mempengaruhi proses sintesis ZSM-5, sehingga penentuan waktu sintesis sangat diperlukan. Hal ini dikarenakan seluruh zeolit merupakan fasa metastabil dan dapat berubah menjadi struktur lain selama selang waktu tertentu (Jacobs dan Marten, 1987). 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu: 1. Fly ash sawit dapat digunakan sebagai sumber silika pada sintesis zeolit ZSM-5 2. Berdasarkan hasil spektrum inframerah, kondisi terbaik untuk sintesis ZSM-5 dari fly ash sawit adalah pada nisbah molar Si/Al 4 dan waktu sintesis 12 jam Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada DP2M Dikti yang telah membiayai penelitian ini melalui Hibah Bersaing tahun anggaran 29. Daftar Pustaka Chen, C.S.H., Thomas, F. & Forbus. 2. Large Crystal ZSM-5, its Synthesis and Use. United State Patent Chumaidi, A. & Roesyadi, A Pembuatan Katalis ZSM-5 dari Zeolit Alam Untuk Sintesa Reaksi Metanol Menjadi Hidrokarbon. Makalah dalam Prosiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia. Surabaya, November 1999 Fitoussi, M. & Amir, K Process for Production of Zeolites. United State Patent Jacobs, P.A. dan J.A. Martens Synthesis of High-Silica Aluminosilicate Zeolite: Studies in Surface and Catalysis. Elsevier Science Publisher. Netherland Miller, S.J. 21. Method for making ZSM-5 Zeolites. United State Patent Prasad, Y.S., & Bakhshi, N.N Catalytic Conversion of Canola Oil to Fuel and Chemical Feedstock, Part I. Effect of Process Condition on the Performance of ZSM-5 Catalyst. The Canadian Journal of Chemical Engineering 64: Putro, A.L. dan Prasetyoko, D. 27. Abu Sekam Padi Sebagai Sumber Silika pada Sintesis Zeolit ZSM-5 Tanpa Menggunakan Templat Organik. Akta Kimindo. 3 (1): 33-36

10 Satterfield C.N Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice. McGraw Hill. USA Vempati, R.K. 22. ZSM-5 made from Siliceous Ash. United State Patent Zahrina, I.,27. Pemanfaatan Abu Sabut dan Cangkang Sawit Sebagai Sumber Silika pada Sintesis ZSM-5 dari Zeolit Alam. Jurnal Sains dan Teknologi. 6(2).

11